文章信息
- 祝飞华, 王益权, 石宗琳, 张润霞, 冉艳玲, 王亚城
- ZHU Feihua, WANG Yiquan, SHI Zonglin, ZHANG Runxia, RAN Yanling, WANG Yacheng
- 轮耕对关中一年两熟区土壤物理性状和冬小麦根系生长的影响
- Effects of rotational tillage on soil physical properties and winter wheat root growth on annual double cropping area
- 生态学报, 2015, 35(22): 7454-7463
- Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(22): 7454-7463
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201404140716
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文章历史
- 收稿日期: 2014-04-14
- 网络出版日期: 2015-04-20
土壤物理性状决定着土壤水、肥、气、热的循环和供应,这些都直接影响着根系的生长发育和生理功能,且预示着土壤供给作物养分的能力[1, 2]。近15年来,陕西关中地区大面积采用冬小麦旋耕条播-夏玉米免耕条播的种植方式[3],长年连续旋耕导致土壤亚表层紧实化,土体的通透性变差,加之有机肥施用越来越少,致使关中地区农田土壤肥力日趋下降,粮食产量徘徊不前,经济效益不明显[4, 5, 6, 7]。因此,寻求合适的耕作技术体系对维持土壤肥力,保证稳产丰产有着重要意义。
现国内外大多数的研究表明,长期翻耕则会导致表层土壤结构稳定性和团聚体质量下降,加剧农田表层土壤退化[8],而以免耕、少耕为代表的保护性耕作措施能够有效的增强土壤特性,改良土壤结构,促进土壤有机质的积累,从而提高了土壤的供水供肥能力,增加了作物产量[9, 10]。张国盛等[11]的研究认为,长期免耕有利于于提高表层土壤有机碳含量和结构稳定性,从而改善土壤的供肥供水能力;陈浩等[12]研究表明,保护性耕作可以改善土壤容重,促进水稳定性团聚体的形成,提高土层蓄水能力。然而,也有一些学者认为过分强调少耕、免耕等保护性耕作措施并不有利于改善土壤理化性状[13, 14]。在这一背景下,国内外学者积极研究探寻翻耕、深松、免耕等土壤耕作措施的合理搭配模式和周期,形成与种植制度相适应的土壤耕作技术体系,以解决长期的单一耕作措施所带来的问题[15, 16]。陕西关中地区长期采用单一旋耕制度,亚表层土壤严重紧实化,土壤质量明显下降[17, 18]。鉴于此,本研究以陕西关中具有代表性的杨凌区一年两熟制农田为基点,通过4a的定位试验,分析了翻耕-免耕-翻耕-免耕、深松-免耕-深松-免耕与连续4a旋耕3种耕作模式对麦田土壤物理性质和冬小麦根系生长及生理活性的影响,旨在寻求能够改善土壤结构稳定性、培肥地力的有效耕作模式,维持土壤的持续生产力,为该地区小麦高产优质栽培提供技术参考。
1 材料与方法 1.1 试验区概况该地区海拔540 m,年平均降水量为650 mm左右,且年内降水分配不均,主要集中在7、8、9三个月,年蒸发量平均在800 mm左右,年平均温度在11.0—14.0 ℃,无霜期228 d,属于半干旱偏湿润易旱地区,常年实行冬小麦旋耕条播-夏玉米免耕条播,土壤类型为塿土(系统分类命名为土垫旱耕人为土,Earth-cumuli-orthic-anthrosols)。试验开始前(2009年10月2日)测定土壤基本理化性状见表1。
土层厚度Depth /cm | 粘粒Clay/(g/kg) | 粉粒Silt/(g/kg) | 砂粒Sand/(g/kg) | 容重Bulk density/(g/cm3) | 紧实度Compaction/Kpa | 有机质Organic matter/(g/kg) | 全氮Total N/(g/kg) | 速效磷Available P/(mg/kg) | 速效钾Available K/(mg/kg) |
0—10 | 192.54 | 690.88 | 116.58 | 1.39±0.02 | 456±62 | 23.22 | 0.98 | 8.9 | 161 |
10—20 | 183.25 | 723.54 | 93.201 | 1.50±0.01 | 1436±155 | 14.16 | 0.89 | 7.6 | 152 |
试验于陕西关中地区杨凌头道塬进行,试验田种植制度为冬小麦→夏玉米轮作,一年两熟,在2009年至2012年夏玉米季各小区均采用小麦秸秆留茬(10 cm)覆盖、免耕播种玉米的方式,而在冬小麦播种前设置3种耕作处理,具体见表2。随机区组设计,3次重复,每个小区面积300 m2 (10 m×30 m)。
代码Code | 处理Treatments | 冬小麦具体耕作措施 Specific operation of winter wheat | |||
2009年10月October 2009 | 2010年10月October 2010 | 2011年10月 October 2011 | 2012年10月October 2012 | ||
RT | 连年4a旋耕 | 旋耕 | 旋耕 | 旋耕 | 旋耕 |
PNT | 翻耕-免耕-翻耕-免耕 | 翻耕 | 免耕 | 翻耕 | 免耕 |
SNT | 深松-免耕-深松-免耕 | 深松 | 免耕 | 深松 | 免耕 |
RT: 连续4a旋耕Rotary tillage for 4 years; PNT: 翻耕与免耕隔年交替进行Deep plowing followed by a non-tillage year alternation; SNT: 深松与免耕隔年交替进行Subsoiling followed by a non-tillage year alternation |
试验期间,所有试验地除小麦季耕作模式不同外,其他管理模式与当地习惯相同。具体耕作方法如下:①翻耕处理,在前茬玉米收获及秸秆移除后,用拖拉机带三铧犁进行翻耕,深度为25 cm,然后条播冬小麦。②深松处理,冬小麦在前茬玉米收获及秸秆移除后,用冀铲式深松机进行间隔深松整地,深松深度30 cm,宽度间隔40 cm,然后播种冬小麦;③常规旋耕处理,冬小麦在前茬玉米连秸秆收获后,使用拖拉机带旋耕机进行,旋耕深度为5 cm。④免耕处理,玉米秸秆全部移出,10月中旬直接免耕条播冬小麦。冬小麦品种为西农2611,播种量为120 kg/hm2。采用2BF-14行圆盘式小麦播种机(西安播种机械厂生产)分别与2009年10月12日、2010年10月18日、2011年10月14日、2012年10月10日播种。播种时基尿素(N≥46%) 600 kg/hm2,过磷酸钙(P2O5≥12%) 750 kg/hm2,并结合冬灌施尿素150 kg/hm2,除草剂为乙阿合剂。
1.4 研究方法 1.4.1 农田土壤容重变化研究分别在实验处理前(2009-10-02)、第4年冬小麦主要生育期(播种2012-10-10、出苗2012-11-15、越冬2013-01-15、返青2013-02-15、拔节2013-03-15、抽穗2013-04-15、开花2013-05-15、灌浆2013-05-30、成熟2013-06-15)及第4季夏玉米收获后(2013-10-09),在每试验小区按S形布设了5个样点,每个样点分别用环刀法采取0—10 cm和10—20 cm 2个土层的土样测定土壤容重。
1.4.2 土壤紧实度与含水量测定关系研究在第4年冬小麦主要生育期(播种、出苗、拔节、抽穗、开花、成熟)间,在每个试验小区按S形布设7个样点,用SC-900型土壤紧实度仪按照2.5 cm的间距现场测定0—20 cm范围内的土壤紧实度。并用土钻采取0—10 cm、10—20 cm土层土样,以测定相应时刻土壤的含水量。
1.4.3 根重密度与根系活力测定分别在第4年冬小麦返青期(2013-02-15)、拔节期(2013-03-15)、开花期(2013-05-15)和成熟期(2013-06-15)调查不同土层耕重密度及根系活力。
根重密度:选取生长正常、分布均匀的植株作为测试对象,用根系取土钻采取直径10 cm,深度20 cm土壤容积内的小麦根系量。为了消除小麦根系分布的水平空间差异性,每个小区选定3个点作为重复,每个样点的每个土层取3钻,第1钻设在小麦行的正下方,第2钻设在小麦行距正中央,第3钻设在与麦行紧相切的一边。将3个钻点样品合在一起作为同一土层的根系样品,采样深度为40 cm,共分为0—20 cm和20—40 cm共2层,以探索小麦根系垂直分布。将采取的带根土样装入100目的尼龙网中,用水浸泡0.5 h,充分冲洗并去除杂质后,在80 ℃条件下烘至恒重。在室温平衡0.5 h,用平称重(g),然后计算单位体积土壤内的小麦根系干重即根重密度。
根系活力:选定具有活力和代表性的待测鲜根样,运用改良TTC法测定根系活力。即用1%的TTC溶液使根系还原着色,产生不溶于水的TTCH;用95%的甲醇溶液作为提取液,提取TTCH,在485 nm处比色,读取OD值。与标准曲线对照,计算出根系活力(μg g-1鲜重h-1)。
1.5 数据分析试验数据采用SPASS 18.0进行单因素方差(ANOVA)分析,并ORIGIN 8.0作图。
2 结果与分析 2.1 不同耕作处理对土壤物理性状的影响 2.1.1 不同耕作模式对土壤稳定容重的影响不同耕作措施对土壤稳定容重的影响较为明显(图1),试验开始前(2009年10月2日)供试土壤0—10 cm、10—20 cm土层容重分别为1.39、1.50 g/cm3,经过4a的不同轮耕处理,夏玉米收获后(2013年10月9日)PNT和SNT处理下土壤容重均显著(P < 0.05)降低。
0—10 cm土层,SNT和PNT处理土壤容重分别降低到1.32和1.31 g/cm3,降幅分别为5.10%、6.18%;10—20 cm土层容重降低到1.42和1.41 g/cm3,降幅分别达到了5.01%、5.67%,而RT处理在0—10 cm和10—20 cm处的土壤容重有继续增大趋势,其中在10—20 cm处已达显著水平。与RT处理的相比,0—10 cm土层SNT和PNT处理土壤容重分别降低了7.49%和8.26%;10—20 cm土层分别降低了8.13%和8.78%,差异达到显著水平(P < 0.05),但SNT与PNT间差异不显著。可见,旋耕处理有增大0—10、10—20 cm土壤容重的趋势,而两种轮耕能在一定程度上能降低耕层土壤容重,改善土壤通透性能。
2.1.2 不同耕作模式下土壤容重的动态变化从试验的第4年度冬小麦整个生育期来看,不同耕作模式下0—10 cm、10—20 cm土壤容重变化趋势大体一致,均呈现先增大后减小再增大,最后趋于稳定的变化规律(图2),这与季节变化具有一定的相似性。小麦生育期间不同耕作处理的土壤容重增幅不同,0—10 cm土层,SNT与PNT处理土壤容重增幅相对较小,二者从1.25和1.24 g/cm3分别增大到1.32和1.30 g/cm3,涨幅分别为5.43%和5.40%,处理间差异不显著(P>0.05),RT处理的土壤容重在播种期显著小于SNT和PNT处理,但从苗期便开始增大,到小麦孕穗期就已显著高于两种轮耕处理,容重从1.06 g/cm3增大到1.43 g/cm3,涨幅为35.35%,显著高于两种轮耕处理。10—20 cm土层,SNT和PNT处理的土壤容重在整个生育期维持在基本稳定的水平,二者涨幅分别为7.32%和7.09%,差异不显著,RT处理的土壤容重在整个生育期都显著高于SNT和PNT处理,平均容重高达1.49 g/cm3,涨幅为8.17%。以上结果可以看出RT处理下,土壤容重仅在播种期到苗期且只有表层0—10 cm处于较低水平,剩余生育期均维持着较高的水平,尤其是在亚表层10—20 cm处,土壤容重最大值可达到1.55 g/cm3,同时土壤容重变化幅度较大。
2.1.3 不同耕作模式下土壤紧实度的动态变化从表3可以看出,各耕作处理10—20 cm土层紧实度在整个生育期都显著高于0—10 cm土层(P < 0.05)。从冬小麦整个生育期来看,0—10 cm土层,3种不同耕作处理土壤紧实度均呈现显著的增加趋势,RT处理涨幅达到224%,显著高于PNT和SNT处理的72%、54%,SNT和PNT处理间差异不显著;10—20 cm土层,3种不同耕作处理土壤紧实度也呈现显著的增加趋势,RT、SNT和PNT处理的涨幅分别达到57%、53%和78%,各处理间差异不显著,而RT处理的土壤紧实度在整个生育期都显著高于SNT和PNT处理,SNT和PNT处理差异不显著,3种耕作处理在整个生育期的平均值依次为1445、991kPa和981kPa。可知,RT处理0—10 cm土层紧实度仅在小麦生长前较低,生长中后期逐渐增大,且10—20 cm紧实度在整个生育均较高,而SNT和PNT处理在小麦整个生育期对0—10、10—20 cm土层紧实度均有所改善。
(kPa) | ||||||||
土层Depth/cm | 处理Treatments | 冬小麦生育期 Whole growth period of winter wheat | ||||||
播种Sowing | 出苗Seeding | 拔节Jointing | 抽穗Heading | 开花Flowing | 灌浆Grain-filling | 成熟Ripening | ||
0—10 | RT | 145±53a | 249±65b | 343±72c | 367±49c | 415±56cd | 470±38d | 492±69d(a) |
SNT | 236±47a | 268±75ab | 298±48ab | 332±69b | 359±46b | 396±53b | 406±71b(a) | |
PNT | 197±64a | 248±47a | 315±57b | 364±49bc | 395±37bc | 421±43c | 427±56c(a) | |
10—20 | RT | 1079±136a | 1163±147a | 1487±152b | 1612±163c | 1692±157c | 1507±148b | 1576±139bc(b) |
SNT | 784±189a | 863±201ab | 931±146ab | 1145±193bc | 1201±183c | 1047±167bc | 964±186b(a) | |
PNT | 673±172a | 721±169a | 954±187b | 1210±216c | 1147±197bc | 1108±158bc | 1053±177bc(a) | |
同行不同小写字母表示冬小麦生育期内的差异显著性(P < 0.05),括号内的小写字母表示处理间的差异显著性(P < 0.05),RT: 连续4a旋耕; SNT: 深松-免耕; PNT: 翻耕-免耕 |
从图3和图4可以看出,RT、PNT和SNT处理的0—20 cm土壤紧实度在一定含水量的范围内均随含水量的减小而增大。在0—10 cm、10—20 cm土层,RT处理土壤紧实度与含水量均呈显著负相关,相关系数分别为-0.886、-0.854,而PNT和SNT处理的相关性不显著,相关系数分别为-0.605、-0.622和-0.464、-0.672。这说明了RT处理0—20 cm土壤的紧实度对含水量的变化较SNT和PNT处理敏感。
2.2 不同耕作处理对小麦根系生长的影响 2.2.1 不同耕作模式对小麦根重密度的影响土壤物理状态的直接效应就在于影响作物根系的延伸,从图5可以看出,各生育期小麦根系集中在0—20 cm范围内,其下层根系量极少,对于增加作物抗旱性极为不利。3种耕作处理在返青期前0—20 cm和20—40 cm土层的根重密度差异不显著,在返青期以后,0—40 cm土层SNT和PNT处理根系量均高于RT处理,而SNT和PNT处理间差异不显著。
与RT处理相比,0—20 cm土层SNT和PNT处理在拔节期、开花期和成熟期根系增幅分别达到15.99%—18.40%和19.88%—21.07%;0—40 cm土层SNT和PNT处理的增幅分别为180.00%—192.39%和150.01%—243.96%。表明SNT和PNT处理能够增加冬小麦生育过程中、后期根系密度,尤其是增加了深层土壤中根系的量,有助于提高作物抗旱性能。
2.2.2 不同耕作模式对小麦根系活力的影响小麦生育期间3种耕作处理根系活力的变化趋势大体一致(图5),均呈现出在拔节期前逐渐递增然后递减的趋势。0—20 cm土层不同耕作处理的根系活力在全生育期差异均不显著;但在20—40 cm土层内SNT和PNT处理在小麦开花期前均高于RT处理,而SNT和PNT处理间差异不显著。到了小麦成熟期不同耕作处理间根系活力差异逐渐缩小,均未达到显著水平。表明SNT和PNT两种耕作处理均能有效地提高小麦根系活力,对延缓20—40 cm小麦生育后期根系衰老有积极作用。
3 讨论 3.1 不同耕作模式对土壤稳定容重的影响研究表明,保护性耕作、深耕和深松均能够降低土壤容重[19, 20],姜桂英等[21]认为不同耕作措施下土壤容重的变化趋势表现为免耕>旋耕>翻耕,而长期单一耕作会导致土壤结构稳定性和团聚体质量下降,土壤通透性变差[22],本研究的结果与上述相似,与试验前相比,经过4a不同耕作处理后,0—10、10—20 cm土壤容重均表现为连年旋耕>试验前>翻耕-免耕、深松-免耕处理,这说明了长期采用单一旋耕措施能够增大土壤容重,降低通透性;同时孔凡磊等[23]研究认为多年免耕后进行土壤耕作(翻耕)可以显著降低土壤容重,朱利群等[24]研究表明1a免耕1a深耕+秸秆还田处理能够有效的降低土壤容重,本试验的轮耕模式与其不尽相同,但结论基本一致,免耕和翻耕、深松的轮耕处理能够改善0—10、10—20 cm土壤容重;这主要由于免耕结合翻耕、深松的轮耕处理既可以疏松土壤,又减少了因机械频繁操作而造成的土壤压实,有效改善土壤结构[16]。
3.2 不同耕作模式下土壤容重的动态变化可以看出3中耕作处理下土壤容重均呈现季节性动态变化,从播种到冬前,容重从扰动以后的最小值逐渐因为土壤沉实而增大,从越冬期到孕穗期间受冬季冻融交替过程的影响,土壤容重有所减小,从孕穗期开始到小麦收获期间因土壤逐渐失水,土壤收缩作用使得土壤容重又呈现出增大的过程,到开花期土壤容重基本趋于稳定并逐渐达到最大值。这种土壤容重随季节的动态变化过程在一定程度上说明了土壤结构的不稳定性[25],旋耕处理0—10、10—20 cm土壤容重变异系数显著高于两种轮耕处理,且仅在生育前期只有表层0—10 cm处于较低水平,其余生育期均维持着较高的水平,尤其是在亚表层10—20 cm处,土壤容重最大值可达到1.55 g/cm3。这在一定程度上表明旋耕处理下土壤对环境变化过程更加敏感,土壤结构稳定性较两种轮耕处理差[26, 27],由于连年旋耕,表层土壤受到频繁的扰动,土壤结构稳定性下降,而在亚表层形成紧实的底土层[28]。
3.3 不同耕作模式下土壤紧实度的动态变化相关研究表明,播前施行旋耕处理的土壤紧实度较高,在亚表层表现得较为明显,而深耕松土处理能够有效降低各层土壤的紧实度[29, 30]。本研究也表明,免耕结合翻耕、深松的轮耕处理10—20 cm土壤紧实度明显小于旋耕处理,其改善效果在小麦整个生育期间都能得到明显的体现;而旋耕处理的改善效果多体现在作物生育前期,且仅限0—10 cm土层。这主要是因为紧实度与土壤粘结力和孔性有关,旋耕仅能使表层土壤疏松,增加扩散率,但同时也能使耕区以下形成坚硬的紧实层[31],而免耕结合翻耕、深松的轮耕处理有效的打破了犁底层,增加了土壤总孔隙度,增强了土壤的通气能力[32],根系及微生物的活动能力增强,使耕层土壤孔隙度增加,在整个生育期,土壤结构都得到一定程度的改善[33]。
3.4 不同耕作模式下土壤紧实度与水分的关系3种耕作处理土壤紧实度在一定含水量的范围内的变化趋势相同,均随含水量的减小而增大,这与Hoefer等[34]人的研究结果相一致,土壤紧实度增加的原因之一是孔隙空间降低导致土壤颗粒排列更为紧密,当含水量降低时,土壤结构空间收缩,所以紧实度呈现增大的趋势。而连年旋耕耕作处理的0—10、10—20 cm土壤紧实度对含水量的变化比两种轮耕处理(翻耕-免耕、深松-免耕)更敏感,呈显著负相关,这可能是因为旋耕处理频繁扰动土壤,使团聚体被挤压破碎,稳定性低,土壤结构性能较差[35];两种轮耕处理减少了耕作次数,从而减少对土壤结构体的机械破坏,能够在一定程度上改善土壤结构性能,对增加跑外界环境变化的缓冲能力,对环境抵抗能力更强[36]。
3.5 不同耕作处理对小麦根系生长的影响王群等[37]研究认为土壤物理性状对作物根系时空分布及活力都有较大影响,本研究表明,与连续4a旋耕相比,两种轮耕处理能够有效提高冬小麦生育中、后期20—40 cm根重密度及根系活力,这不仅扩大了根系的吸收范围,而且能够延缓根系衰老,提高作物抗旱能力。这与前人研究结果一致,其中韩宾[38]等研究认为,连续免耕造成亚表层土壤容重接近阙值,严重阻碍了根系正常下扎,而耕翻1a、免耕2a的周期轮换模式,能促进根系下扎。这有可能是由于免耕与翻耕、深松轮耕使土壤容重减小、紧实度降低,有效改善了耕层团聚体含量与稳定性[39],增强了土壤的蓄水保墒能力[31],使得根系生长处于适宜的环境[40, 41]。
孔凡磊研究认为,免耕与深松的轮耕模式改善了土壤的孔隙状况,播种前土壤水分较高,有利于根系生长,形成了适宜小麦生长发育的种床,促进了冬小麦籽粒的萌发和生长发育,有效穗数和穗粒数显著增加,小麦平均产量较单一耕作显著增加了12%[23]。李涛研究表明,免耕与翻耕轮耕处理增强了土壤通透性,有利于根系下扎和吸收深层土壤水分,小麦根系发达,叶面积系数大,干物质积累较多[42]。
可见,与连年旋耕相比,免耕结合翻耕、深松的轮耕处理能有效改善土壤物理状况,促进根系生长发育,改善作物根系数量、活性以及分布状况,对提高冬小麦地上部生长发育和产量具有一定效果[43]。
4 结论通过4a定位试验表明,免耕与翻耕、深松的轮耕处理与连年旋耕处理相比,可有效小降低0—10、10—20 cm土壤容重,改善土壤紧实状况,且改善效果在冬小麦整个生育期均有体现;与两种轮耕处理相比,连年旋耕处理0—10、10—20 cm土壤容重、紧实度的变异系数较大,紧实度与含水量呈现显著负相关,且根系密度和活力较差,这表明关中地区连年旋耕土壤物理性状较差,不利与作物根系生长,而适时采用免耕结合传统耕作(翻耕、深松)的轮耕模式有利于改善土壤物理性状,促进冬小麦根系生长,能在一定程度上提高农作物产量。本文初步研究了关中旱地麦玉两熟区长期旋耕土壤轮耕的物理效应及根系生长效应,以期为进一步研究土壤轮耕提供参考。
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